Valoriser le CO2 de l'épuration du biogaz : une opportunité supplémentaire pour la méthanisation

National 30 SEPTEMBRE 2021

L'un des enjeux de la méthanisation est de pouvoir valoriser le CO2, pour apporter des gains économiques et environnementaux supplémentaires au biométhane. Des conditions sont à respecter et des schémas à privilégier.

Le contexte et les intérêts

La production de biométhane compatible avec une injection dans les réseaux de gaz nécessite une étape d'épuration du biogaz, qui consiste principalement à séparer le CH4 et le CO2. Le CO2 séparé, biogénique[1] à cycle court et donc neutre pour le climat, est jusqu'à présent relâché dans l'atmosphère. Ce CO2 très pur a pourtant une valeur marchande, pour des usages très variés. Sa récupération permet également de capter le biométhane résiduel des offgaz de l'épuration, et de réduire ainsi les pertes de production d'un site tout en améliorant le bilan carbone déjà très bon du biométhane (23,4 gCO2eq/kWh PCI[2]).

Pour information : 10 000 à 15 000 tonnes de déchets organiques par an (fumiers, lisiers, résidus de culture, CIVE, biodéchets) permettent de produire environ 100 Nm3/h de biométhane. La capacité moyenne des sites d'injection biométhane en France est d'environ 200 Nm3/h.

Le procédé de méthanisation permet de capturer du CO2 qui a une valeur économique. Découvrez comment les producteurs de biométhane peuvent valoriser cette ressource supplémentaire.

Schéma valorisation du CO2

Le marché actuel du CO2

Principales sources conventionnelles de CO2 en France

En France, les principales sources conventionnelles de CO2 sont les usines de bioéthanol (CO2 biogénique), d'hydrogène et d'engrais (CO2 fossile). Après purification et liquéfaction du CO2 fatal de ces sources, celui-ci est transporté par camion dans des cuves cryogéniques, sur des distances allant jusqu'à plusieurs centaines de km. In fine, le CO2 alimente la cuve du client, souvent louée par les fournisseurs du CO2. Ces derniers sont majoritairement représentés par les grands gaziers industriels tels qu'Air Liquide, ACP, Nippon Gases – Praxair, Messer, Linde. En termes de qualité du CO2, le référentiel EIGA[3], qui fixe un niveau de qualité et de traçabilité pour l'industrie agro-alimentaire, est majoritairement appliqué pour rationaliser les moyens logistiques (les cuves contenant du CO2 EIGA ne peuvent pas contenir de CO2 moins qualitatif). Quoique non justifié pour certains usages, il reste aujourd'hui la norme en l'absence d'autres standards généralisés. Le prix de marché du CO2 est très variable : environ 50 à 400 €/tCO2 et une moyenne autour de 90-150 €/tCO2 pour des consommateurs réguliers non loin des sources de production. Ce prix dépend principalement :

  • De la distance de livraison,
  • Du volume consommé,
  • De l'équilibre offre / demande sur le marché.

Sur ce dernier point, il existe en effet de fortes tensions saisonnières sur le marché du CO2, induisant une volatilité du prix associée à des nuries pouvant affecter grandement certains consommateurs. Et ce malgré une capacité de production en France qui est estimée à 1,1 million de tonnes de CO2 (SIA Partners, 2019[4]). Ainsi, les serristes, grands consommateurs de CO2 au printemps et en été pour améliorer la croissance des plantes, ont connu ces situations tendues sur le marché.

Concernant la structure du coût de revient du CO2, celle-ci est composée principalement :

  • Du coût de capture / conditionnement du CO2 sous forme liquide,
  • Du transport en camion-cuve cryogénique.

Alors que le coût de capture est assez stable, le coût de transport est lui fortement variable en fonction de la distance. Ainsi, dès qu'un trajet aller/retour impose une nuit en déplacement au conducteur (au-delà de 600 km aller/retour environ, en tenant compte des temps de chargement/déchargement), le coût en €/tCO2 transportée devient prépondérant dans le prix final, voire prohibitif pour de très longues distances.

Aussi, disposer d'un CO2 local, biogénique, produit toute l'année par les producteurs de biométhane permettrait de répondre à ces limites actuelles.

Les différents usages du CO2

Le schéma ci-dessous synthétise les deux modes de capture et transport principalement envisagés aujourd'hui. Il liste les différentes voies de valorisation, en présentant notamment les usages émergents les plus prometteurs. La valorisation auprès de l'industrie agro-alimentaire (IAA) semble aujourd'hui difficile :

  • Cette dernière exige un CO2 suivant a minima le référentiel qualité EIGA, qui impose un contrôle fin du CO2 de chaque cuve livrée, et nécessite alors l’emploi d'un analyseur au coût non négligeable (plusieurs centaines de k€).
  • Le retour d'expérience du CO2 de la méthanisation est aujourd'hui insuffisant au regard du risque sanitaire ou d'odeur (COV) pourtant jugé très peu probable. Dans la majorité, les entreprises de l'IAA ne souhaitent pas prendre le risque de se passer de ces analyses aujourd'hui.
Les usages du CO2

L'opportunité de la valorisation du CO2 pour la méthanisation

Il est de prime abord difficile d'envisager qu'un CO2 récupéré sur des unités de biométhane de taille modeste puisse être compétitif. En effet, avec une Cmax moyenne de 170 Nm3/h, les sites agricoles ont une capacité de production de 1,8 ktCO2/an, quand les sources conventionnelles de CO2 peuvent fournir chacune de 50 à 200 ktCO2/an. L'économie d'échelle pour l'unité de capture / conditionnement est significative pour ces dernières, et moindre pour les sites de méthanisation forcément. L'innovation peut-elle réduire les coûts ? Les technologies de capture CO2 sont matures. Des optimisations sont cependant possibles, en intégrant notamment la capture du CO2 à l'unité d'épuration biogaz dès la conception, pour un process global optimisé et moins coûteux.

En attendant la disponibilité de telles adaptations, il faut jouer sur l'autre composante du coût de revient : le transport.

Le CO2 de la méthanisation peut être compétitif s'il est vendu localement, dans des zones éloignées des sources conventionnelles pour lesquelles le coût de transport élevé compense le faible coût de capture. La fourniture locale de CO2 (< 200 km) est donc le facteur clé, et il doit être combiné à une rentabilisation maximale des moyens logistiques (camion et cuve) lorsque ces derniers sont achetés. Cette rentabilisation peut passer par la mutualisation avec d'autres unités de méthanisation, voire par la création de coopératives du CO2 qui collecteraient et vendraient le CO2 auprès de différents consommateurs. Une étude menée par le cabinet Voltigital et GRDF montre que de telles organisations permettent de limiter le coût de transport à 15 – 30 /tCO2 selon les volumes concernés et les distances aux consommateurs. Autrement, la logistique peut être sous-traitée à un transporteur qualifié.

Le transport par canalisation de CO2 se révèle également pertinent pour des usages de proximité (moins de 5 km). Il permet notamment de se passer de l'étape de liquéfaction très couteuse pour offrir un CO2 local très compétitif. La contrepartie est que le biométhane résiduel n'est pas récupéré (voir point abordé en début d'article). Le cadre réglementaire de ces canalisations reste toutefois à clarifier.

Il est important de garder à l'esprit que le marché du CO2 en France est largement déséquilibré : la demande en CO2 actuelle est inférieure à 1 Mt/an, alors que la capacité potentielle de production (en incluant les émissions industrielles et la méthanisation) est de plusieurs dizaines de millions de tonnes. Le ciblage précis de l'usage du CO2 issu de la méthanisation est donc impératif pour surmonter la concurrence importante sur le marché.

Outre son aspect local, l'autre atout du CO2 de la méthanisation est sa stabilité : un site engagé avec un tarif d'achat biométhane sur 15 ans peut proposer un contrat de vente moyen / long terme, à un prix fixe, avec une garantie de non-pénurie (hors période de maintenance à prendre en compte). Ce sont justement les critères qui pêchent aujourd'hui selon certains consommateurs de CO2 conventionnel.

Enfin, le CO2 de la méthanisation est biogénique et donc neutre pour le climat. Un argument qui a déjà convaincu une brasserie au Royaume-Uni[5] ! D'autres références européennes sont présentées à la fin de cet article.

Au-delà du prix de vente, le nerf de la guerre est de trouver un consommateur local de CO2. Mise à part l'IAA, difficile d'accès (voir plus haut), les serres agricoles représentent aujourd'hui un fort potentiel avec plus de 1 000 ha en France, à raison d'une consommation de 100 et 300 tCO2/ha selon les cultures et les conditions climatiques.

Parmi les usages émergents prometteurs qui ne nécessitent pas de qualité EIGA, la maturation du béton a un fort potentiel de consommation : plus de 300 ktCO2/an. L'intérêt de cette filière est qu'elle stocke le CO2 pour une durée illimitée, ce qui permet de réduire l'impact carbone du béton. CarbonCure et Solidia proposent par exemple des solutions en ce sens qui sont suivies de près par les producteurs de béton en France.

Enfin, le schéma le plus compétitif de valorisation consiste à utiliser le CO2 sur le site de méthanisation (coût de transport nul). Deux voies se dégagent : la culture d'algues (cosmétique, alimentaire) et la thanation pour produire du méthane de synthèse à partir d'hydrogène renouvelable et de CO2. La maturité économique de ces filières doit progresser afin de concrétiser de tels projets à l'échelle industrielle.  L'étude menée par S3D et GRDF montre par exemple que la rentabilité des projets de méthanisation pourrait être améliorée de 1 à 2 points.

Différents modèles économiques possibles pour le CO2 de la méthanisation (CTBM, GRDF, 2019)

La démarche de valorisation du C02 pour un producteur de biométhane

Du point de vue d'un producteur de biométhane souhaitant valoriser son CO2, il est possible de résumer la démarche d'un éventuel projet suivant 5 axes :

  1. Production – Quel volume puis-je produire ?
  2. Consommation – Existe-t-il des consommateurs locaux de CO2 ? Quels volumes, quelle qualité, quels engagements possibles (prix, durée, conditions) ?
  3. Logistique – Y a-t-il d'autres méthaniseurs intéressés ? Puis-je fédérer des acteurs autour de moi pour optimiser / mutualiser la collecte et la distribution de CO2 ? Camion, canalisation ?
  4. Modèle économique – Est-il plus intéressant de vendre directement mon offgaz, mon CO2 en sortie de traitement sur site ou mon CO2 livré ? Autrement dit, quel modèle est le plus pertinent pour m'apporter la rentabilité nécessaire tout en maîtrisant les risques et les contraintes : maîtriser la chaîne entière du CO2 ou s'appuyer sur des acteurs existants, transporteurs, gaziers (Air Liquide, Linde, ACP, Messer, Praxair, Nippon Gases) qui maîtrisent mieux l'aval ?
  5. Mettre en avant les atouts de mon CO2 – Outre les aspects « biogénique », « local » et « stable » évoqués, le CO2 de la méthanisation est une opportunité majeure pour la lutte contre le changement climatique. Un, il permet de capter le biométhane résiduel des offgaz de l'épuration. Deux, si ce CO2 biogénique est stocké durablement dans son usage final, il aboutit à des émissions de gaz à effet de serre négatives. Les sites de méthanisation en question pourraient être valorisés pour ce service rendu. Sylvain Frédéric, expert biométhane chez GRDF, a déjà abordé ce sujet :

« La méthanisation n'est pas la seule technologie pouvant réaliser ce résultat, elle fait partie des technologies dite « BECSC » (Bioénergie avec captage et stockage du carbone). Il s'agit du processus consistant à extraire de l'énergie de la biomasse puis à capturer et stocker le carbone, le retirant ainsi de l'atmosphère[6]. Ces puits de carbone sont introduits et nécessaire dans la SNBC pour être neutre en carbone, étant donnée des émissions de Gaz à effet de serre incompressible même en 2050[7][8]. Le GIEC indique d'ailleurs que le coût estimé du BECSC varie entre 60 et 250 dollars par tonne de CO2[9] ».

Pour aller plus loin

Quelques exemples européens :

Un second projet verra le jour dans le Sud-Ouest d'ici fin 2021, pour une valorisation en serres également.

Approfondissement technique :

  • Le CTBM a contribué sur le sujet du CO2 de la méthanisation avec :
    • Le Guide Technique « Valorisation du CO2 de méthanisation », mai 2020
    • Le webinaire dédié en partenariat avec le Comité Stratégique de Filière Nouveaux Systèmes Energétiques – Axe Méthanisation, juin 2021

Les supports sont disponibles sur le site du CTBM.  

Soutien aux projets innovants :

  • GRDF lance des Appels à Projets régionaux sur la thématique du CO2 de la méthanisation, afin d'aider à l'émergence de nouveaux projets modèles. Pour ne rien rater, c'est ici.

[1] Le carbone biogénique (et par extension le CO2 biogénique) est le carbone fixé par la plante lors de sa croissance (photosynthèse) à partir du CO2 de l'air. Ainsi, lorsque ce CO2 est relâché lors de l'étape d'épuration du biogaz de méthanisation, le bilan global est nul et donc neutre pour le changement climatique.

[2] Projet Méthanisation | Actualité – Les analyses de cycle de vie confirment l'impact positif de la filière biométhane sur la réduction des émissions de gaz à effet de serre

[3] Référentiel qualité CO2 EIGA (European Industrial Gases Association)

D'autres référentiels « alimentaires » existent, comme celui de l'ISBT

[4] SIA Partners – Les nouveaux usages du CO2, 2019

[5] UK brewery switches to green CO2 from AD process (21/04/2021)

[6] Définition bioénergie et stockage de dioxyde de carbone

[7] Synthèse Stratégie nationale bas-carbone

[8] 5ème rapport du GIEC

[9] Définition bioénergie et stockage de dioxyde de carbone

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